Recurrent processes are a general feature of living systems, from the cell cycle to circadian day-night rhythms to hibernation and flowering cycles. During development and life, numerous recurrent processes are controlled by genetic oscillators, a specific class of genetic regulatory networks that generates oscillations in the level of gene products. A vital mechanism controlled by genetic oscillators is the rhythmic and sequential segmentation of the elongating body axis of vertebrate embryos. During this process, a large collection of coupled genetic oscillators gives rise to spatio-temporal wave patterns of oscillating gene expression at tissue level, forming a dynamic prepattern for the precursors of the vertebrae. While such systems of genetic oscillators have been studied extensively over the past years, many fundamental questions about their collective behavior remain unanswered. In this thesis, we study the behavior and the properties of genetic oscillators from the single oscillator scale to the complex pattern forming system involved in vertebrate segmentation. Genetic oscillators are subject to fluctuations because of the stochastic nature of gene expression. To study the effects of noisy biochemical coupling on genetic oscillators, we propose a theory in which both the internal dynamics of the oscillators as well as the coupling process are inherently stochastic. We find that stochastic coupling of oscillators profoundly affects their precision and synchronization properties, key features for their viability as biological pacemakers. Moreover, stochasticity introduces phenomena not known from deterministic systems, such as stochastic switching between different modes of synchrony. During vertebrate segmentation, genetic oscillators play a key role in establishing a segmental prepattern on tissue scale. We study the spatio-temporal patterns of oscillating gene expression using a continuum theory of coupled phase oscillators. We investigate the effects of different biologically relevant factors such as delayed coupling due to complex signaling processes, local tissue growth, and tissue shortening on pattern formation and segmentation. We find that the decreasing tissue length induces a Doppler effect that contributes to the rate of segment formation in a hitherto unanticipated way. Comparison of our theoretical findings with experimental data reveals the occurrence of such a Doppler effect in vivo. To this end, we develop quantification methods for the spatio-temporal patterns of gene expression in developing zebrafish embryos. On a cellular level, tissues have a discrete structure. To study the interplay of cellular processes like cell division and random cell movement with pattern formation, we go beyond the coarse-grained continuum theories and develop a three-dimensional cell-based model of vertebrate segmentation, in which the dynamics of the segmenting tissue emerges from the collective behavior of individual cells. We show that this model is able to describe tissue formation and segmentation in a self-organized way. It provides the first step of theoretically describing pattern formation and tissue dynamics during vertebrate segmentation in a unified framework involving a three-dimensional tissue with cells as distinct mechanical entities. Finally, we study the synchronization dynamics of generic oscillator systems whose coupling is subject to phase shifts and time delays. Such phase shifts and time delays are induced by complex signaling processes as found, e.g., between genetic oscillators. We show how phase shifts and coupling delays can alter the synchronization dynamics while leaving the collective frequency of the synchronized oscillators invariant. We find that in globally coupled systems, fastest synchronization occurs for non-vanishing coupling delays while in spatially extended systems, fastest synchronization can occur on length scales larger than the coupling range, giving rise to novel synchronization scenarios. Beyond their potential relevance for biological systems, these results have implications for general oscillator systems, e.g., in physics and engineering. In summary, we use discrete and continuous theories of genetic oscillators to study their dynamic behavior, comparing our theoretical results to experimental data where available. We cover a wide range of different topics, contributing to the general understanding of genetic oscillators and synchronization and revealing a hitherto unknown mechanism regulating the timing of embryonic pattern formation.

Zugl.: Göttingen, University, Diss., 2008.

Thesis (doctoral)--Universität, Göttingen, 2007. / Includes bibliographical references (p. 131-164).

Thesis (doctoral)--Swedish University of Agricultural Sciences, 2000. / Includes bibliographical references.

Die Genregulation ist ein komplexer Prozess, bei dem Zellen die Menge der Genprodukte steuern, um ihre Identität auszubilden und auf Umweltveränderungen zu reagieren. Die CRISPR-Technologie hat genetische Screens revolutioniert und ermöglicht es, mehrere Transkripte gleichzeitig zu untersuchen. In dieser Arbeit werden die Vorteile und Herausforderungen gepoolter CRISPR-Screens zur Erforschung der Genregulation untersucht. Es wird ein CRISPR-ko-Screen in embryonalen Mausstammzellen (mESCs) beschrieben, der pluripotenzerhaltende Transkriptionsfaktoren identifiziert. Es zeigte sich, dass ein Screening mit einer kleinen Bibliothek den Großteil des biologischen Signals eines genomweiten Screens erfasst und die Identifizierung von Genkandidaten mit kleinen Effektgrößen verbessert. Nachfolgend wird CRISPTimeR, eine neue Methode für die Analyse von Zeitreihen von CRISPR-Screens, vorgestellt. Sie basiert auf gemischten linearen Modellen und ermöglicht es, Treffer zu identifizieren und gleichzeitig zeitlich zu klassifizieren. Als Nächstes wurde CRISPRi verwendet, um für die Pluripotenz von mESCs relevante lncRNAs zu untersuchen, was aufgrund ihrer schlechten Annotation und niedrigen Expressionsniveaus schwierig ist. Eine mögliche Lösung ist eine manuell verfeinerte Annotation von Transkriptionsstartstellen und kleinere Bibliotheks-Screens mit empfindlicherer phänotypischer Auslesung. Zudem wurde ein Sättigungsscreen genomischer Regionen rund um den PHOX2B-Lokus, zur Identifikation cis-regulierender Elemente, durchgeführt. Dabei wurden CRISPRa-reaktive Elemente identifiziert, die Gene in der PHOX2B-TAD regulieren, und mit diesen mittels Einzelzell RNA-seq in Verbindung gebracht. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit den Wert gepoolter CRISPR-Screens für die Erforschung der Genregulation und Herausforderungen der Analyse nicht-kodierender Elemente. Zusätzlich beschreibt sie ein neues Tool für die Analyse von kodierenden und nicht-kodierenden CRISPR-Screens in Zeitreihen. / Gene regulation is a complex process in which cells control gene product levels to establish identity and respond to environmental changes. CRISPR technology has revolutionized genetic screening, enabling researchers to study multiple transcripts simultaneously. This thesis explores the advantages and challenges of using pooled CRISPR screens to study gene regulation. First, I describe a CRISPR-ko screen in mouse embryonic stem cells (mESCs) to identify transcription factors involved in pluripotency maintenance. I show that a small-library screen captures most of the biological signal observed in a genome-wide screen, and it improves the identification of candidate genes with small effect sizes. Next, introduce CRISPTimeR, a novel method for the analysis time-series CRISPR screens. CRISPTimeR is based on mixed linear models; it allows to use information from a time-series experiment to identify, and simultaneously perform temporal classification on, hits. Next, I use CRISPRi to study lncRNAs relevant to pluripotency in mESCs. Targeting lncRNAs poses challenges due to poor annotation and low expression levels. I suggest to address these issues by using a hand-refined annotation of transcription start sites and by designing small-library screens with more sensitive phenotypic readout. Finally, I describe a saturation screen targeting large genomic regions around the PHOX2B locus, to identify putative cis-regulatory elements. I identified CRISPRa responsive elements involved in regulating the expression of genes within the PHOX2B TAD, which were then matched with the genes they control using single-cell RNA-seq. Overall, in this thesis I demonstrate the value of CRISPR pooled screens for studying gene regulation, while highlighting the challenges associated with targeting non-coding elements and suggesting possible approaches to address these challenges. Moreover, I introduce a novel tool for the analysis of both coding and non-coding time-series CRISPR screens.

One of the main purposes of the fields of Robotics and Artificial Intelligence is to develop solutions that can autonomously solve problems. An important part of this is synthesising behaviours of robots. Behaviour Trees are a tree structure that enables combining existing lower level behaviours into a high level behaviour through task switching. However, designing appropriate Behaviour Trees can be prohibitive due to time and knowledge requirements. One way of automating the creation of Behaviour Trees is through Genetic Programming, which evolves solutions through mutations and combinations akin to biological evolution. This Masters thesis explores how Genetic Programming can be used to generate Behaviour Trees in an automatic fashion. More specifically, whether so-called Quality Diversity can be used to improve the search. Quality Diversity describes a field of algorithms that combine both performance and novelty of behaviour to evaluate solutions. By including a novelty aspect the search space is more thoroughly explored, and deceptive local optima may be more easily avoided. In this thesis three Quality Diversity algorithms are implemented and evaluated in different settings: Novelty Search, Novelty Search with Local Competition, and Multi-dimensional Archive of Phenotypic Elites. The results show that Quality Diversity has potential to both increase the speed at which solutions are found and decrease the likelihood of premature convergence due to local optima. However, we also find that care must be taken in how behaviours are defined, and how some common techniques of Genetic Programming need to be adapted for Quality Diversity algorithms. / Ett av huvudsyftena med robotik och artificiell intelligens är att skapa system som självständigt kan lösa problem. En viktig del av detta är att skapa robotars beteenden. Beteendeträd är en trädstruktur som gör det möjligt att kombinera befintliga beteenden på lägre nivå till ett beteende på hög nivå. Att utforma lämpliga beteendeträd kan dock kräva både mycket tid och kunskap. Ett sätt att automatisera skapandet av beteendeträd är genom genetisk programmering, som utvecklar lösningar genom mutationer och kombinationer i likhet med biologisk evolution. Detta examensarbete undersöker hur genetisk programmering kan användas för att automatiskt generera beteendeträd. Mer specifikt undersöks om kvalitetsmångfald (Quality Diversity) kan användas för att förbättra sökningen. Kvalitetsmångfald beskriver en familj av algoritmer som kombinerar både prestanda och innovation i en lösnings beteende för att utvärdera lösningar. Genom att inkludera en innovationsaspekt blir sökområdet mer noggrant utforskat och vilseledande lokala optima kan lättare undvikas. I detta examensarbete implementeras och utvärderas tre kvalitetsmångfaldsalgoritmer i olika miljöer: Novelty Search, Novelty Search with Local Competition, och Multi-dimensional Archive of Phenotypic Elites. Resultaten visar att kvalitetsmångfald har potential att både öka hastigheten med vilken lösningar hittas och minska sannolikheten för tidig konvergens på grund av lokala optima. Vi konstaterar dock också att man måste vara försiktig med hur beteenden definieras och hur vissa vanliga tekniker för genetisk programmering måste anpassas för algoritmer med kvalitetsmångfald. / Eén van de belangrijkste doelstellingen van het vakgebied Robotica en Kunstmatige Intelligentie is het ontwikkelen van oplossingen die autonoom problemen kunnen oplossen. Een belangrijk onderdeel hiervan is het synthetiseren van gedragingen van robots. Gedragsbomen zijn een boomstructuur waarmee bestaande gedragingen van een lager niveau kunnen worden gecombineerd tot een gedrag van een hoger niveau door middel van taakwisseling. Het ontwerpen van geschikte gedragsbomen is echter soms niet haalbaar haalbaar vanwege de benodigde tijd en kennis. Een manier om het maken van gedragsbomen te automatiseren is door middel van genetisch programmeren, dat oplossingen ontwikkelt door mutaties en combinaties, vergelijkbaar met biologische evolutie. Deze masterproef onderzoekt hoe genetische programmering kan worden gebruikt om automatisch gedragsbomen te genereren. Meer specifiek of kwaliteitsdiversiteit (Quality Diversity) kan worden gebruikt om het zoeken te verbeteren. Kwaliteitsdiversiteit beschrijft een gebied van algoritmen die zowel prestaties als nieuwheid van een oplossingsgedrag combineren om oplossingen te evalueren. Door een nieuwheidsaspect te introduceren wordt de zoekruimte grondiger verkend en kunnen bedrieglijke lokale optima gemakkelijker worden vermeden. In deze masterproef worden drie algoritmen voor kwaliteitsdiversiteit toegepast en geëvalueerd in verschillende omgevingen: Novelty Search, Novelty Search with Local Competition en Multi-dimensional Archive of Phenotypic Elites. De resultaten tonen aan dat kwaliteitsdiversiteit het potentieel heeft om zowel de snelheid waarmee oplossingen worden gevonden te verhogen als de kans op voortijdige convergentie als gevolg van lokale optima te verminderen. Wij stellen echter ook vast dat zorgvuldigheid geboden is bij de definitie van gedragingen en dat sommige gebruikelijke technieken van genetisch programmeren moeten worden aangepast voor algoritmen met kwaliteitsdiversiteit.

Genetic resources are important for the development of every country and for humanity. Collection, conservation and reasonable utilization of genetic resource is required mission. Understanding the importance of genetic resource, especially rice germplasm, since 2001, Center for conservation and development of crop genetic resources (CCD-CGR) of Hanoi University of Agriculture (Vietnam National University of Agriculture) has been collected, conserved and evaluated rice germplasm from different provinces of Vietnam for breeding programs. So far, 1090 accessions of local rice of Vietnam have been collected. Evaluation of agronomic properties and screening of some important genes using DNA molecular markers have revealed that Vietnamese rice germplasm has high level diversity and containing important genes for quality and resistance for disease and pests. These genetic resources are potential materials for national breeding programs. Based on the collected germplasm, 3 new glutinous rice varieties have been successfully created with high yield and good quality. In addition, the degradation of local rice varieties is also a matter of concern. So far, 4 specialty rice varieties Deo Dang, Ble chau, Pu de and Khau dao have been successfully restored for the north provinces of Vietnam. The main results of this study are germplasms for rice breeding programs and new improved varieties that bring economic benefits to farmers and the country. / Nguồn gene là tài nguyên sống còn của mỗi quốc gia và của toàn nhân loại. Vì vậy thu thập, bảo tồn, đánh giá và khai thác hợp lý nguồn tài nguyên này có ý nghĩa rất lớn. Nhận thức được tầm quan trọng của nguồn gen nhất là nguồn gen cây lúa, ngay từ đầu những năm 2000, Trung tâm bảo tồn và phát triển nguồn gene cây trồng thuộc Trường Đại học nông nghiệp, nay là Học Viện nông nghiệp Việt Nam đã tiến hành thu thập, lưu giữ, đánh giá và khai thác nguồn gene lúa. Kết quả đã thu thập, lưu giữ được 1090 mẫu giống lúa địa phương Việt Nam. Đánh giá đặc điểm nông sinh học và phát hiện một số gene quy định các tính trạng chất lượng và kháng sâu bệnh bằng chỉ thị phân tử DNA. Đây là nguồn gene quan trọng cho chọn tạo giống. Dựa vào nguồn gene thu thập được, cho đến nay, Trung tâm bảo tồn và phát triển nguồn gene cây trồng đã lai và chọn tạo được thành công 03 giống lúa nếp chất lượng cao. Ngoài ra, thoái hóa giống cũng là vấn đề đang được quan tâm. Cho đến nay 4 giống lúa đặc sản Đèo đàng, Ble châu, Pu đe và Khẩu dao đã được phục tráng và đưa vào sản xuất. Kết quả của những nghiên cứu này là ngân hàng các giống lúa làm nguồn gene để chọn tạo giống mới đem lại lợi ích kinh tế cho người nông dân và đất nước.

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Einleitung: Tiermodelle spielen für die Aufklärung pathophysiologischer Mechanismen und die Entwicklung erfolgsversprechender Therapieoptionen zentralnervöser Bewegungsstörungen eine unverzichtbare Rolle. Die Identifizierung von Gendefekten für die Parkinson-Krankheit und Dystonien ermöglichte die Generierung von Tiermodellen mit einer hohen „construct validity“. Weibliche transgene Thy1-aSyn Mäuse sowie DYT1 Knock-in (KI) Mäuse zeigen jedoch keine motorischen Störungen. In der vorliegenden Arbeit sollten zur Aufdeckung sensomotorischer Beeinträchtigungen, die bei Parkinson- und Dystoniepatienten beobachtet werden, detaillierte Untersuchungen des Verhaltens an diesen beiden Mausmodellen durchgeführt werden. Zielstellung: Zunächst sollte ein sensitiver Verhaltenstest konstruiert und entwickelt werden, bei dem sich ändernde sensorische Stimuli während der Ausübung der motorischen Aufgabe impliziert werden. Bei der Etablierung dieses sogenannten „adaptiven rotierenden Balkentests“ (ARB-Test) sollte auch der Einfluss des genetischen Hintergrunds bei Wildtyp-Mäusen evaluiert werden. Daraufhin sollte überprüft werden, ob dieser Test den Endophänotyp der weiblichen Thy1-aSyn Mäuse aufdecken kann. In dem DYT1 KI Mausmodell sollte der Frage nachgegangen werden, ob die Tiere Verhaltensdefizite in spezifischen Tests zeigen, die sensomotorische Verschaltungen untersuchen. Material und Methoden: Die mRNA-Expression von α-Synuclein in der Substantia nigra bei männlichen und weiblichen Thy1-aSyn Mäusen wurde mithilfe der quantitativen Echtzeit-PCR (qPCR) ermittelt. Im Anschluss an die Entwicklung des neuen Verhaltensapparates für den ARB-Test wurden Thy1-aSyn Tiere beider Geschlechter in diesem Versuch getestet und ihre Leistung den Ergebnissen auf etablierten motorischen Verhaltenstests („challenging beam test“, „pole test“) gegenübergestellt. Um den Einfluss des Hintergrundstammes auf das Verhalten der Tiere auf dem ARB-Test zu untersuchen, wurden Wildtypen der reinen C57BL/6J-Linie sowie Hybrid-Tiere des Stammes C57Bl/6J × DBA2 (BDF1) allen drei o. g. Versuchen unterzogen. Bei den Mäusen des DYT1 KI Modells wurde der „adhesive removal test“ und der ARB-Test zur Analyse der Sensomotorik durchgeführt. Im Vergleich dazu wurden vielfältige Verhaltensparameter in einer Reihe vorwiegend motorischer (Offenfeld-Test, „challenging beam test“, „pole test“, Zylinder-Test, Block-Test, Nestbau-Test) und kognitiver („y-maze test“) Verhaltenstests ausgewertet. Ergebnisse: Bei den weiblichen Thy1-aSyn Mäusen wurde eine geringere Expression des Transgens im Vergleich zu den männlichen Tieren festgestellt. Der neue ARB-Test wurde erfolgreich etabliert und konnte signifikante Verhaltensdefizite der weiblichen und männlichen Mutanten des Parkinson-Modells im Vergleich zu den Kontrolltieren aufdecken. Der genetische Hintergrund beeinflusste die Leistung der Wildtypen auf diesem Balkentest. Während die DYT1 KI Tiere in den rein motorischen und kognitiven Versuchen keine Beeinträchtigungen des Verhaltens zeigten, konnten der „adhesive removal test“ sowie der neue ARB-Test signifikante sensomotorische Defizite der KI Mäuse im Unterschied zu den Wildtypen zum Vorschein bringen. Schlussfolgerung: Im Thy1-aSyn Mausmodell konnte die Bedeutung der sensomotorischen Integration für die Ausprägung motorischer Defizite sowie für eine mögliche Kompensation solcher motorischen Beeinträchtigungen demonstriert werden. Hierfür hat sich der neu entwickelte, sensitive ARB-Test als geeignet herausgestellt. Die Aufdeckung von Beeinträchtigungen der Sensomotorik spricht auch bei den DYT1 KI Tieren für den Einfluss einer gestörten sensomotorischen Integration bei der Ausprägung der Symptomatik. Damit eignet sich dieses Mausmodell für die Untersuchung weiterer Parameter, die Auswirkungen auf die Aufdeckung des Phänotyps und die Penetranz der Erkrankung haben sowie um die zugrunde liegenden pathophysiologischen Mechanismen zu erforschen.

Das murine Norovirus ist ein neu entdecktes Mitglied der Familie Caliciviridae. Bislang wurden vier Virusstämme beschrieben und charakterisiert (MNV1-4). In dieser Arbeit wurde erstmals die Prävalenz von MNV bei Labormäusen in Deutschland untersucht. Daraufhin wurden die neu detektierten Virusstämme anhand ihrer morphologischen, phylogenetischen und pathogenen Eigenschaften charakterisiert. In 55% der untersuchten 82 Kotproben wurde mittels real-time PCR die Ausscheidung von MNV nachgewiesen. Morphologische Untersuchungen bestätigten das Vorhandensein intakter Viruspartikel in den Proben, die auch genetisch als MNVs charakterisiert wurden. Phylogenetisch wurden die Viren in vier genetische Cluster eingruppiert, die sich sowohl untereinander als auch von den Stämmen MNV1-4 deutlich unterscheiden. Die Relevanz der Subklassifizierung von MNV wurde durch unterschiedliche Wachstumskinetiken und IFN-beta-Sensitivitäten divergenter Stämme funktional bekräftigt. Zudem konnten, basierend auf Sequenzdaten aus zwei subgenomischen Bereichen, rekombinante Virusstämme identifiziert werden. Durch Kokultivierung von MNV-Isolaten wurde homologe Rekombination von Noroviren erstmals in vitro simuliert. Beobachtungen von natürlich und experimentell infizierten Mäusen zeigten, dass der Stamm MNV-M21 in den Tieren eine persistierende Infektion induziert. Serologische Untersuchungen verdeutlichten, dass die Persistenz unabhängig von einer intakten und protektiven Immunantwort stattfand. Bestimmungen der ORF2-Sequenzen zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Infektion gaben Hinweise auf Antigendrift der hypervariablen P2-Domäne. Innerhalb dieser Domäne ist eine zwischen murinen und humanen Noroviren konservierte Proteinsequenz lokalisiert. Die antigenen Eigenschaften dieses Peptids wurden genauer untersucht. Generierte Antiseren zeigten Kreuzreaktivitäten gegenüber verschiedenen Norovirus-Kapsidproteinen. Zudem waren Peptidantikörper in der Lage eine MNV-Infektion in vitro zu neutralisieren. / The murine norovirus is a newly discovered member of the familiy Caliciviridae. So far, four strains have been described and characterised (MNV1-4). This is the first study on the prevalence of MNV among laboratory mice in Germany. Thereupon the detected new strains have been characterised considering morphologic, phylogenetic and pathogenic properties. Using real-time PCR, shedding of MNV has been found in 55% of 82 investigated faeces samples. Morphologic investigations confirmed the presence of intact virus particles within the samples, which genetically also have been characterised as MNVs. Phylogenetically these viruses have been grouped into four genetic clusters, which could be distinguished from each other and from strains MNV1-4. Relevance of MNV subtyping has been functionally corroborated through different growth kinetics and Interferon-beta sensitivities of divergent strains. Based on subtyping in two different subgenomic regions, recombinant strains have been identified. By cocultivation of MNV isolates, homologous recombination of noroviruses in vitro has been simulated for the first time. Studies of naturally and experimentally infected mice showed that strain MNV-M21 induce a persistent infection. Serological testings confirmed that the persistence occured independently of an intact and protective immune response. Determination of ORF2 sequences at different time points of infection indicated antigenic drift of the hypervariable P2 domain. A protein sequence stretch, which is conserved between murine and human noroviruses, is located within this domain. The antigenic features of this stretch have been investigated. Generated antisera against this peptide were crossreactive with different norovirus capsid proteins and were able to neutralize MNV infection in vitro.